[论文解读] Phase Shift Keying on the Hypersphere: Peak Power-Efficient MIMO Communications

Christoph Rachinger, Ralf R. Müller+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用 5

一句话总结

本文提出在超球面上进行相位偏移键控（PSKH），一种MIMO调制方案，通过将星座点分布在多维超球面上，实现峰均总功率比（PASPR）为1，从而在负载调制发射机中实现高功率效率。该文提出球面插值与脉冲整形技术，以最小化PASPR，同时保持频谱效率，其中SI-RRC脉冲整形在不牺牲带宽效率的前提下，使$E_{b,\text{max}}/N_0$提升高达2 dB。

ABSTRACT

Phase Shift Keying on the Hypersphere (PSKH), a generalization of conventional Phase Shift Keying (PSK) for Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems, is introduced. In PSKH, constellation points are distributed on a multidimensional hypersphere. The use of such constellations with a Peak-To-Average-Sum-Power-Ratio (PASPR) of 1 allows to use load-modulated transmitters which can cope with a small backoff, which in turn results in a high power efficiency. In this paper, we discuss several methods how to generate PSKH constellations and compare their performance. After applying conventional Pulse-Amplitude Modulation (PAM), the PASPR of the continuous time PSKH signal depends on the choice of the pulse shaping method. This choice also influences bandwidth and power efficiency of a PSKH system. In order to reduce the PASPR of the continuous transmission signal, we use spherical interpolation to generate a smooth signal over the hypersphere and present corresponding receiver techniques. Additionally, complexity reduction techniques are proposed and compared. Finally, we discuss the methods presented in this paper regarding their trade-offs with respect to PASPR, bandwidth, power efficiency and receiver complexity.

研究动机与目标

• 解决传统调制方案中因高峰均功率比（PAPR）导致MIMO系统功耗过高的问题。
• 通过在超球面上扩展PSK至MIMO，克服恒包络调制的速率损失。
• 通过信号整形与星座设计最小化PASPR，实现负载调制MIMO发射机的高效运行。
• 在PSKH系统中平衡PASPR、频谱效率与接收机复杂度之间的权衡。
• 证明PSKH结合球面插值与先进脉冲整形技术，可在不损失频谱效率的前提下，实现显著的功率效率增益。

提出的方法

• 将PSKH定义为在$\mathbb{C}^{n_T}$空间中超球面上的$M = 2^{R_m}$个星座点集合，每点能量为$E_s$，确保PASPR = 1。
• 采用传统PAM调制与脉冲整形滤波器$h(t)$生成连续时间信号$\mathbf{s}(t) = \sum_k \mathbf{x}[k] h(t-k)$。
• 应用球面插值技术，在超球面上生成平滑、连续的轨迹，降低时域中的PASPR。
• 采用包括RRC、T/2-RRC与SI-RRC在内的脉冲整形方法，以控制信号谱特性与PASPR。
• 设计匹配滤波器与判决反馈接收机结构，实现衰落信道中的相干检测。
• 采用$E_{b,\text{max}}/N_0$度量公平比较不同方法的功率效率，同时考虑峰值功率与误码率。

实验结果

研究问题

• RQ1 PSKH星座点在超球面上能否在MIMO系统中实现PASPR = 1，从而实现高效的负载调制传输？
• RQ2 不同脉冲整形滤波器（如RRC、T/2-RRC、SI-RRC）如何影响PSKH信号的PASPR、频谱效率与功率效率？
• RQ3 球面插值在保持信号带宽与接收机性能的前提下，能在多大程度上降低PASPR？
• RQ4 PSKH系统中PASPR降低、频谱效率与接收机复杂度之间的权衡关系如何？
• RQ5 PSKH能否在结合负载调制放大器时，相较于传统PAM实现显著的$E_{b,\text{max}}/N_0$增益？

主要发现

• PSKH星座点在超球面上可实现精确的PASPR = 1，使放大器回退达到最优，显著提升MIMO系统的功率效率。
• 球面插值通过在超球面上生成平滑、连续的轨迹，有效降低PASPR，减少峰值功率波动。
• SI-RRC脉冲整形在不损失频谱效率的前提下，使$E_{b,\text{max}}/N_0$提升高达2 dB，优于传统RRC与T/2-RRC。
• T/2-RRC与$\text{sinc}^2$脉冲整形显著降低PASPR，且功率效率损失极小，但以牺牲频谱效率为代价。
• RRC滤波器引入标准的带宽滚降权衡，但增加滚降因子$\beta$可略微改善PASPR。
• 在SER目标为$10^{-4}$时，PSKH结合SI-RRC可实现功率效率与频谱效率的最佳平衡，增益超过检测复杂度的增加。